Umstellung auf Gussteile aus Polyurethan

Jun 01, 2023

Hochleistungspolyurethane vereinen die Vorteile von Kunststoffen, Metallen und Keramiken mit der Widerstandsfähigkeit von Gummiteilen

Obwohl Konstrukteure traditionell Teile aus Gummi, Kunststoff oder Stahl spezifizierten, wenn Haltbarkeit erforderlich war, erwägen viele eine neue Alternative für die anspruchsvollsten Anwendungen mit hohem Verschleiß, Abrieb und Stößen: gegossene Polyurethane.

Gegossene Polyurethane, allgemein auch als Urethane bezeichnet, sind zähe, elastische Materialien, die viele der Leistungsvorteile von High-Tech-Kunststoffen, Metallen und Keramiken mit der Elastizität und Flexibilität von Gummiteilen vereinen.

Im Gegensatz zu ihrem nächsten Gegenstück, dem Gummi, der in Form von Platten oder Laiben hergestellt wird, bevor er in einer Hochdruckpresse geformt wird, können Urethane als flüssige Mischung in kostengünstigere Niederdruckformen gegossen werden.

Mit dieser Technik können komplexe Formhohlräume ohne Hochdruckformen und -pressen gefüllt werden. Dies bietet eine Vielzahl von Vorteilen, darunter nicht zuletzt geringere Werkzeug- und Produktionskosten als beim Gummi- und Kunststoffformen sowie geringere Materialkosten als bei Metallen und Keramik.

Was die Leistung anbelangt, sind gegossene Polyurethanteile häufig leichter als Keramik- oder Metallalternativen, sind nicht spröde und reißen nicht wie Kunststoffe unter Belastung oder extremen Temperaturen.

Gussteile aus Polyurethan sind nicht neu. Dennoch blieb das Bewusstsein für das Potenzial dieser Art von Material weitgehend unter dem Radar. Dies kann auf mehrere Faktoren zurückgeführt werden, nicht zuletzt auf ein allgemeines Unverständnis für die Optionen und Formulierungen.

Man spezifiziert beispielsweise nicht einfach ein Polyurethan-Teil. Es gibt viele Formulierungen – einige davon proprietär –, mit denen eine Reihe von Variablen wie Härte, Elastizität, Federrate und chemische Beständigkeit manipuliert werden können.

Aus diesem Grund ist es für Konstrukteure, die an einer möglichen Umstellung von Kunststoff-, Stahl-, Keramik- oder Gummiteilen auf Polyurethan interessiert sind, häufig am besten, wenn sie die Unterstützung und Anleitung von Experten für Urethanformulierung in Anspruch nehmen.

Maßgeschneiderte Teile im Einsatz

In einer aktuellen Fallstudie, die die Vorzüge dieser Teile verdeutlicht, wählte ein niederländischer Schiffbauer eine spezielle Slipanlage aus, als er eine neue Hellingauskleidung benötigte, die den Aufprall und die Abnutzung eines Schnellboots absorbieren konnte, das sein Offshore-Patrouillenschiff durch eine Heckbucht verlässt und betritt formuliertes Polyurethan von Argonics, einem der größten Hersteller verschleißfester Urethanprodukte in den USA.

Laut Lars Muller, Eigentümer von Muller-Beltex, einem in den Niederlanden ansässigen Teilehändler für verschiedene Branchen, der an dem Projekt beteiligt war, ersetzte die Urethan-Auskleidung eine Nylon-Kunststoffauskleidung, die aufgrund ihrer Härte dazu neigte, Schnellboote zu beschädigen.

„Die Auskleidung musste Stößen, Abrieb, Meerwasser und UV-Strahlung standhalten und gleichzeitig das Ein- und Ausgleiten des Schnellboots in die Bucht ermöglichen, ohne das Schnellboot oder das Patrouillenschiff zu beschädigen“, sagt Muller.

Um die Haltbarkeit zu maximieren und den Aufprall abzufedern, wenn das Schnellboot in die Heckbucht des Offshore-Patrouillenschiffs ein- und ausfährt,Argonikerarbeitete mit dem niederländischen Schiffbauer und Muller-Beltex zusammen, um eine Urethan-Hellingauskleidung zu entwickeln, die aus zwei Materialschichten mit jeweils unterschiedlichem Durometer, einem Maß für die Härte, besteht.

Laut Muller kam Argonics auf die Idee, einen Dual-Durometer-Liner zu entwickeln, um dem unvermeidlichen Verschleiß und Stößen besser standzuhalten.

„Die härtere Oberschicht des Urethans weist eine höhere Schnitt- und Reißfestigkeit auf, während die Unterschicht weicher ist, um den Stößen der Motorboote besser standzuhalten“, sagt Muller. Er fügt hinzu, dass die Expertise des Unternehmens in der Urethanformulierung dazu beigetragen habe, das Material für die erforderlichen Eigenschaften zu optimieren und gleichzeitig stark verbundene Schichten zu schaffen, die sich nicht trennen würden.

Die kontinuierliche Zusammenarbeit zwischen den drei Unternehmen hat zu weiteren Produktverfeinerungen geführt. „Wir haben kürzlich die Kanten der Slipanlage abgeschrägt, um sicherzustellen, dass kein Meerwasser oder Sand dahinter eindringen kann“, verrät Müller. „Außerdem haben wir das Urethan an den Schraubenlöchern gehärtet, um die Schrauben und Befestigungen besser dort zu halten, wo sie in die Auskleidung passen. Um die Installation vor Ort zu erleichtern, haben wir in der Auskleidung versenkte Bereiche hinzugefügt, die den exakten Positionen der versenkten Bohrlöcher des Teils entsprechen.“

„Mit Urethan können Sie Festigkeit, Widerstandsfähigkeit und lebenslange Haltbarkeit in einem Produkt vereinen“, fügt Muller hinzu. „Der Endverbraucher ist von der Slipanlage sehr begeistert. Die Anwendung wird nun von der Werft voll akzeptiert und ist ein Standardprodukt in ihrer Schiffslinie.“

Proprietäre Formulierungen

Obwohl Urethanhersteller maßgeschneiderte Formulierungen erstellen können, um unterschiedliche Eigenschaften wie Härte, Elastizität und Federrate zu berücksichtigen, haben einige auch proprietäre Formulierungen entwickelt. Double L Global, ein in den USA ansässiger Hersteller von Kartoffelanbaugeräten, verlässt sich beispielsweise bei Komponenten zum Reinigen und Sortieren von Kartoffeln auf eine proprietäre, leistungsbasierte Polyurethanformulierung von Argonics namens Kryptane. Dazu gehören sanfte Rollen, rotierende Reinigungssterne und robuste tragende Teile.

„Die von uns verwendeten Urethanteile reichen von weich und biegsam für die schonende Handhabung von Kartoffeln bis hin zu sehr harten, tragenden Komponenten“, sagt Roy Withers, Ingenieur bei Double L Global.

Kryptane ist ein äußerst verschleißfestes Material für Anwendungen, bei denen es regelmäßig zu Gleiten, Stößen, Abrieb oder Korrosion kommt.

Beispiele hierfür sind schlag- und abriebfeste Platten; Sprengen von Vorhängen und Bildschirmen; Auskleidungen für Rutschen, Behälter und Trichter; Rohr-, Fitting- und Ventilauskleidungen, Vibrationspolster, Dichtungen und Dichtungen; sowie LKW-Ladeflächenauskleidungen, Unterlegkeile und Crossover-Pads.

Laut Withers verwendet Double L Global das proprietäre Urethan für eine kürzlich entwickelte Komponente, die dazu dient, Produkte von einem Förderweg zu entfernen.

Bisher bestand das Bauteil aus einem integrierten Polyurethan-Paddel und einer Torsionsfeder. Allerdings kam es häufig zu Problemen mit der integrierten Paddelfeder, da die Federn ungleichmäßig gewickelt waren, was dazu führte, dass das Bauteil ästhetisch schief wirkte. Die Fehlausrichtung bedeutete oft auch kostspielige Nacharbeiten.

Um ein ästhetischeres und stromlinienförmigeres Teil zu schaffen, fragte Withers das Unternehmen, ob die Leistungsanforderungen der Torsionsfeder erreicht werden könnten, indem das gesamte Teil aus Polyurethan hergestellt würde.

Um die gewünschte Federleistung zu erreichen, waren Withers der Ansicht, dass die beiden Designvariablen, die er verwenden konnte, die Querschnittsfläche des Teils und die Härte des Urethans waren. Zunächst maß er die Federrate der Metallfeder, um die Leistungsanforderungen zu erfüllen. Anschließend entwickelte er einen Entwurf mit einem speziell berechneten Querschnitt.

Das Unternehmen lieferte vier verschiedene Polyurethan-Prototypen mit dem berechneten Querschnitt und unterschiedlichen Materialhärten.

Anschließend testete Double L Global die Prototypen physisch, indem sie prüfte, wie viel Kraft zum Biegen jedes einzelnen erforderlich war und wie weit er sich verbiegen würde. Nach einigen Iterationen wurden die richtige Härte und der richtige Querschnitt ermittelt und das Urethanteil ging in Produktion. „Argonics hat dazu beigetragen, die Zuverlässigkeit und Konsistenz des Sweep-Designs zu verbessern, indem die Feder in das Urethan integriert wurde“, sagt Withers. „Jetzt gibt es keine Metallfeder mehr – alles ist aus einem Stück.“

Ein durchschlagender Erfolg

Die Kehrkomponente ist so konzipiert, dass sie steif genug ist, um Kartoffeln vom Förderband zu wischen, aber dennoch flexibel genug, um sich zu verbiegen, wenn sie auf einen harten Gegenstand wie einen Stein trifft.

Laut Withers können wirtschaftlichere Werkzeuge und die Möglichkeit, selbst komplexe Formhohlräume zu füllen, für Ingenieure bei Iterationen von Design, Prototyping und Tests besonders hilfreich sein.

„Anstatt Teile im Spritzgussverfahren herzustellen, wähle ich oft die Methode der gegossenen Urethanteile von Argonics, weil ich nicht die hohen Kosten für Spritzgusswerkzeuge bezahlen möchte“, sagt er. „Urethan ist für uns in der Regel viel kostengünstiger, sei es für Einzelstücke oder Teile mit größeren Stückzahlen.“